7英寸定向空气锤研制

论文摘要

空气锤钻井技术是应对硬地层、中硬地层最有效的破岩方法之一,以其钻进速度快、钻井成本低、井眼直等优点受到了广泛的应用。为了实现单井高产,储层损害小的目标,最理想的钻井方式是用空气锤来钻水平井。目前空气锤用于水平井、定向井的钻进存在着井眼不规则、井壁不光滑、固井质量不好等问题,文章针对这些存在的问题,对空气锤进行全面调研基础上,借鉴国内潜孔锤和凿岩机工作原理,进行了细致研究,创新性的将空气锤与凿岩机原理相结合,设计了一种新型的利用高压气体驱动并能够实现自动旋转的定向钻井用空气锤。新型定向(旋转)空气锤采用旋转的活塞在上行返程过程中(达到上行死点前)以一定的速度撞击配气座下部的特殊齿形产生周向力,产生的周向力矩通过传动机构传递到空气锤壳体,旋转的壳体带动钻头旋转,实现钻头角度调整与钻头自动加压的目的,从而实现定向、水平钻进,同时旋转的壳体能够光滑井壁,提高井眼质量,达到提高固井质量的目的。本文详细介绍了定向空气锤的工作原理和结构特点,创新的设计出了定向空气锤回转接头、减震机构、转筒、配气座、旋转活塞等关键部件。建立了定向空气锤活塞的运动学、动力学模型,空气锤内部腔室气体的状态方程、活塞运动速度的微分方程、活塞运动位移的微分方程、气体流动状态方程与数值分析相结合,使用MATALB软件进行仿真分析。运用有限元分析软件ABAQUS对定向空气锤的主要零部件进行了强度校核,确保能够满足井底复杂条件下的工作要求。正在申请定向(旋转)空气锤的国家发明专利和实用新型专利,绘制了CAD图纸,目前正在进行样机的加工,下步工作将进行现场试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 主要研究内容、方法以及研究路线
• 1.2.1 主要研究内容
• 1.2.2 研究方法
• 1.2.3 研究路线
• 1.3 主要创新点
• 1.4 本章小结
• 第二章 空气锤钻井技术概述
• 2.1 空气锤现状
• 2.1.1 空气锤类型
• 2.1.1.1 以工作介质分类
• 2.1.1.2 使用用途分类
• 2.1.1.3 按结构分类
• 2.1.2 空气锤国外研究应用现状
• 2.1.3 空气锤国内研究应用现状
• 2.2 空气锤工作原理
• 2.3 空气锤破碎岩石分析
• 2.3.1 空气锤破碎岩石理论分析
• 2.3.2 空气锤破碎岩石试验分析
• 2.4 空气锤定向钻进
• 2.5 本章小结
• 第三章 7英寸定向空气锤设计原理及结构设计
• 3.1 定向空气锤研究目的和意义
• 3.2 定向空气锤的工作原理
• 3.3 定向空气锤的结构特点
• 3.4 定向空气锤的结构设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 定向空气锤理论与仿真计算
• 4.1 定向空气锤工作机理研究
• 4.2 定向空气锤相关理论研究
• 4.2.1 空气锤活塞运动微分方程
• 4.2.2 气体动力学微分方程
• 4.2.3 性能参数的计算公式推导
• 4.3 程序设计和仿真
• 4.3.1 仿真的必要性
• 4.3.2 仿真的条件假设
• 4.3.3 MATLAB语言介绍
• 4.3.4 计算模型
• 4.3.5 计算机程序设计
• 4.3.5.1 主程序设计
• 4.3.5.2 子程序设计
• 4.3.6 仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 定向空气锤有限元力学分析
• 5.1 有限元基本理论知识
• 5.1.1 有限的基本概念
• 5.1.2 弹性力学有限元公式
• 5.1.3 单元类型的选择
• 5.1.4 材料模型的确定
• 5.2 有限元3维模型的建立
• 5.3 边界条件以及载荷的确定
• 5.4 有限元结果分析
• 5.5 结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文的及科研成果